实验：探究加速度与力、质量的关系

1、2 2 实验：探究加速度与力、质量实验：探究加速度与力、质量的关系的关系观察视频思考问题观察视频思考问题1.1.描绘速度变化快描绘速度变化快慢的物理量是谁慢的物理量是谁? ?2.2.两辆车哪一个启两辆车哪一个启动的快？动的快？1.1.用大小不同的力去推小车，哪一个速度变化用大小不同的力去推小车，哪一个速度变化得快？得快？2.2.用相同的力去推空车和满载的车，哪一个速用相同的力去推空车和满载的车，哪一个速度变化得快？度变化得快？物体的速度发生了改变，就是说物体产生了物体的速度发生了改变，就是说物体产生了加速度。加速度。加速度的大小与什么因素有关呢？加速度的大小与什么因素有关呢？【思考与交流】【思

2、考与交流】力大的力大的空车空车1.1.理解加速度大小与力有关，也与质量有关。理解加速度大小与力有关，也与质量有关。2.2.通过实验探究加速度与力和质量的关系。通过实验探究加速度与力和质量的关系。( (重点重点) )3.3.理解控制变量法。理解控制变量法。4.4.学会用图像寻找规律。学会用图像寻找规律。 物体的加速度物体的加速度a a与所受到的合外力与所受到的合外力F F、物体质量、物体质量m m有怎样的定量关系？有怎样的定量关系？研究方法研究方法( (控制变量法控制变量法) )保持保持m m不变，研究不变，研究a a与与F F的关系的关系; ; 保持保持F F不变，研究不变，研究a a与与m

3、m的关系。的关系。探究方案一：探究方案一：实验装置图实验装置图【实验器材】【实验器材】 小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码（砝码）、小盘、刻度尺、天平细线、砝码（砝码）、小盘、刻度尺、天平【实验提醒】【实验提醒】1.1.小车质量的测量用小车质量的测量用 。2.2.打点计时器的用途是：打点计时器的用途是：打出纸带，测量计算小车的加速度。打出纸带，测量计算小车的加速度。天平天平结合实验装置，请讨论：结合实验装置，请讨论：1.1.怎样改变和测量小车与砝码的质量？怎样改变和测量小车与砝码的质量？通过增减砝码的个数改变研究对象的质量，可以用

4、通过增减砝码的个数改变研究对象的质量，可以用天平称出总质量。天平称出总质量。2.2.小车和砝码受到的外力是由什么提供的？怎样改小车和砝码受到的外力是由什么提供的？怎样改变和测量外力的大小？变和测量外力的大小？外力是由小桶和细砂的重力提供的；通过增减桶中外力是由小桶和细砂的重力提供的；通过增减桶中细砂的多少来改变质量，通过天平测出质量，利用细砂的多少来改变质量，通过天平测出质量，利用G=mgG=mg计算力的大小。计算力的大小。3.3.小车在运动时要受到摩擦力，如何克服摩擦力呢？小车在运动时要受到摩擦力，如何克服摩擦力呢？ 砝码重力砝码重力近似近似等于绳子拉力，用以表示小车受等于绳子拉力，用以表示

5、小车受到的合外力到的合外力F F。G GG G1 1F FN Nf fG G1 1平衡摩擦力平衡摩擦力f f。G G2 24.4.怎样从纸带记录的数据算出被研究对象的加速度？怎样从纸带记录的数据算出被研究对象的加速度？在纸带上标记出几个计数点，利用在纸带上标记出几个计数点，利用x=aTx=aT2 2计算加速计算加速度。为保证结果的准确性，可多选几个计数点，采用度。为保证结果的准确性，可多选几个计数点，采用逐差法计算加速度。逐差法计算加速度。【实验步骤】【实验步骤】1.1.用天平测出小车和砝码的用天平测出小车和砝码的总质量总质量M,M,小盘和砝码的总质小盘和砝码的总质量量m,m,把数值记录下来。

6、把数值记录下来。2.2.按如图所示把实验器材安按如图所示把实验器材安装好装好, ,只是不把悬挂小盘的只是不把悬挂小盘的细绳系在车上细绳系在车上, ,即不给小车即不给小车施加牵引力。施加牵引力。3.3.平衡摩擦力平衡摩擦力: :在长木板不带定滑轮的一端下面垫在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板。反复移动木板的位置一块木板。反复移动木板的位置, ,直至小车在斜面直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态。这时上运动时可以保持匀速直线运动状态。这时, ,小车小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。的重力在斜面方向上的

7、分力平衡。4.4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘, ,先接通先接通电源再放开小车电源再放开小车, ,打点计时器在纸带上打下一系列打点计时器在纸带上打下一系列的点的点, ,打完点后切断电源打完点后切断电源, ,取下纸带取下纸带, ,在纸带上标上在纸带上标上纸带号码。纸带号码。5.5.保持小车和砝码的质量不变保持小车和砝码的质量不变, ,在小盘里放入适量在小盘里放入适量的砝码的砝码, ,把小盘和砝码的总质量把小盘和砝码的总质量mm记录下来记录下来, ,重复重复步骤步骤4.4.在小盘内再放入适量砝码在小盘内再放入适量砝码, ,记录下小盘和砝记录下小盘和砝码的总质

8、量码的总质量m,m,再重复步骤再重复步骤4 4。6.6.重复步骤重复步骤5 5两次两次, ,得到三条纸带。得到三条纸带。7.7.在每条纸带上都选取一段比较理想的部分在每条纸带上都选取一段比较理想的部分, ,标明标明计数点计数点, ,测量计数点间的距离测量计数点间的距离, ,算出每条纸带上的加算出每条纸带上的加速度的值。速度的值。 8.8.用纵坐标表示加速度用纵坐标表示加速度a,a,横坐标表示作用力横坐标表示作用力F,F,作用作用力的大小力的大小F F等于小盘和砝码的总重力等于小盘和砝码的总重力, ,根据实验结果根据实验结果在坐标平面上画出相应的点在坐标平面上画出相应的点, ,如果这些点是在一条

9、如果这些点是在一条过原点的直线上过原点的直线上, ,便证明了加速度与作用力成正比。便证明了加速度与作用力成正比。9.9.保持小盘和砝码的质量不变保持小盘和砝码的质量不变, ,在小车上加砝码在小车上加砝码, ,重重复上面的实验复上面的实验, ,用纵坐标表示加速度用纵坐标表示加速度a,a,横坐标表示横坐标表示小车和砝码总质量的倒数小车和砝码总质量的倒数, ,根据实验结果在坐标平根据实验结果在坐标平面上画出相应的点。如果这些点是在一条过原点的面上画出相应的点。如果这些点是在一条过原点的直线上直线上, ,就证明了加速度与质量成反比。就证明了加速度与质量成反比。实验过程赏析实验过程赏析【注意事项【注意事

10、项】1.1.一定要做好平衡摩擦力的工作一定要做好平衡摩擦力的工作, ,也就是调出一个合也就是调出一个合适的斜面适的斜面, ,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受到的摩擦阻力。在平衡摩擦力时衡小车受到的摩擦阻力。在平衡摩擦力时, ,不要把悬不要把悬挂小盘的细线系在小车上挂小盘的细线系在小车上, ,即不要给小车加任何牵引即不要给小车加任何牵引力力, ,并要让小车拖着打点的纸带运动。并要让小车拖着打点的纸带运动。2.2.实验步骤实验步骤2 2、3 3不需要重复不需要重复, ,即整个实验平衡了摩擦即整个实验平衡了摩擦力后力后, ,不管以后是改变小盘和砝码的总

11、质量还是改变不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量小车和砝码的总质量, ,都不需要重新平衡摩擦力。都不需要重新平衡摩擦力。3.3.每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出. .只只有如此有如此, ,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。拉力。4.4.改变拉力和小车质量后改变拉力和小车质量后, ,每次开始时小车应尽量每次开始时小车应尽量靠近打点计时器靠近打点计时器, ,并应先接通电源并应先接通电源, ,再放开小车再放开

12、小车, ,且且应在小车到达滑轮前按住小车。应在小车到达滑轮前按住小车。5.5.作图像时作图像时, ,要使尽可能多的点分布在所作直线上，要使尽可能多的点分布在所作直线上，直线外的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。直线外的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。6.6.作图时两轴标度比例要选择适当作图时两轴标度比例要选择适当, ,各量须采用国际各量须采用国际单位。这样作图时单位。这样作图时, ,坐标点间距不至于过密坐标点间距不至于过密, ,误差会误差会小些。小些。实验中为什么不做实验中为什么不做a-ma-m的图像呢？的图像呢？化曲为直是物理上常用的方法之一，通过演示实验化曲为直是物理上常用的方法之一，通

13、过演示实验我们看到物体受到同样的力作用时，我们看到物体受到同样的力作用时，m m越大越大a a越小，越小，我们猜测它们最简单的关系是成反比，也就是我们猜测它们最简单的关系是成反比，也就是a a与与 成正比，由于验证成正比，由于验证a-ma-m图像是否为双曲线太麻图像是否为双曲线太麻烦，不如看烦，不如看 是否为过原点的直线简单直观，是否为过原点的直线简单直观，所以不做所以不做a-ma-m图像。图像。【科学方法】【科学方法】1ma1m实验方案二：对比法实验方案二：对比法实验器材：实验器材：小车、一端带滑轮的长木板、粗线、砝小车、一端带滑轮的长木板、粗线、砝码、小盘、天平、刻度尺、宽口夹子。码、小盘

14、、天平、刻度尺、宽口夹子。实验原理实验原理: :在实验中，我们可以根据两个小车的运动时间相同，在实验中，我们可以根据两个小车的运动时间相同，结合运动学公式结合运动学公式, , 得到加速度的比值等于运得到加速度的比值等于运动位移的比值，在实验中我们就可以不必求出加速度动位移的比值，在实验中我们就可以不必求出加速度而是直接求位移的比就可以表示加速度的比值关系，而是直接求位移的比就可以表示加速度的比值关系，从而使实验数据的处理变得简单、直观。从而使实验数据的处理变得简单、直观。21xat20 0实验数据处理实验数据处理 1.1.加速度与力的关系（保持小车质量不变）加速度与力的关系（保持小车质量不变）

15、次数次数1 12 23 34 412FFxaxa112212xx12FF次次数数1 12 23 34 40 02.2.加速度与质量的关系（保持拉力不变）加速度与质量的关系（保持拉力不变）12MM21MMxaxa112212xx21MM探究实验结论：探究实验结论：物体的加速度和物体所受到的合外力有什么关系？物体的加速度和物体所受到的合外力有什么关系？和自身的质量有什么关系？和自身的质量有什么关系？【典例【典例1 1】实验后根据实验数据作出了】实验后根据实验数据作出了a-Fa-F关系图线关系图线如图甲、乙所示，请分析其原因各是什么？如图甲、乙所示，请分析其原因各是什么？甲甲乙乙没加拉力就产生了加速

16、度，没加拉力就产生了加速度，说明导轨有定滑轮的一端低，说明导轨有定滑轮的一端低，另一端高，导轨与水平面的另一端高，导轨与水平面的夹角太大。夹角太大。当加一定的拉力后，还没产生当加一定的拉力后，还没产生加速度，说明有较大的摩擦力加速度，说明有较大的摩擦力影响，说明还没有平衡摩擦力影响，说明还没有平衡摩擦力或是平衡摩擦力不足。或是平衡摩擦力不足。【典例【典例2 2】物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板】物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数。实验装置如图所示之间的动摩擦因数。实验装置如图所示, ,一表面粗糙的一表面粗糙的木板固定在水平桌面上木板固定在水平桌面上, ,一端装有定滑轮

17、一端装有定滑轮; ;木板上有一木板上有一滑块滑块, ,其一端与电磁打点计时器的纸带相连其一端与电磁打点计时器的纸带相连, ,另一端通另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接。打点计时器使用的过跨过定滑轮的细线与托盘连接。打点计时器使用的交流电源的频率为交流电源的频率为50 Hz50 Hz。开始实验时。开始实验时, ,在托盘中放入在托盘中放入适量砝码适量砝码, ,滑块开始做匀加速运动滑块开始做匀加速运动, ,在纸带上打出一系在纸带上打出一系列小点。列小点。(1)(1)下图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分下图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分,0,0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6

18、6、7 7是计数点是计数点, ,每相邻两计数点间还每相邻两计数点间还有有4 4个打点个打点( (图中未标出图中未标出),),计数点间的距离如图所示。计数点间的距离如图所示。根据图中数据计算的加速度根据图中数据计算的加速度a=_a=_。( (保留三位有保留三位有效数字效数字) )(2)(2)回答下列两个问题回答下列两个问题: :为测量动摩擦因数为测量动摩擦因数, ,下列物理量中还应测量的有下列物理量中还应测量的有_ (_ (选填入所选物理量前的字母选填入所选物理量前的字母) )A.A.木板的长度木板的长度L B.L B.木板的质量木板的质量m m1 1 C. C.滑块的质量滑块的质量m m2 2

19、D.D.托盘和砝码的总质量托盘和砝码的总质量m m3 3 E. E.滑块运动的时间滑块运动的时间t t测量测量中所选定的物理量时需要的实验器材是中所选定的物理量时需要的实验器材是_。(3)(3)滑块与木板间的动摩擦因数滑块与木板间的动摩擦因数=_(=_(用被测物理用被测物理量的字母表示量的字母表示, ,重力加速度为重力加速度为g)g)。与真实值相比。与真实值相比, ,测量测量的动摩擦因数的动摩擦因数_(_(选填选填“偏大偏大”或或“偏小偏小”) )。写。写出支持你的看法的一个论据出支持你的看法的一个论据:_:_。解析解析: :(1)a= 0.497 m/s(1)a= 0.497 m/s2 2(

20、2)(2)要测动摩擦因数要测动摩擦因数, ,就要测出滑块受到的拉力就要测出滑块受到的拉力和滑块质量和滑块质量; ;测质量就需要天平。测质量就需要天平。(3)(3)根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律m m3 3g-mg-m2 2g=(mg=(m2 2+m+m3 3)a)a得得=这样测出的动摩擦因数比真实值偏大这样测出的动摩擦因数比真实值偏大, ,因为纸带因为纸带和打点计时器间还有摩擦和打点计时器间还有摩擦, ,计算时忽略掉计算时忽略掉, ,导致结导致结果偏大。果偏大。7654322(xxx )(xxx )9T3232m g(mm )am g0a aF0a amm m1 11.1.实验方法：控制变量

21、法实验方法：控制变量法2.2.图像法处理实验数据技巧图像法处理实验数据技巧1.1.在在“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验中，关的实验中，关于平衡摩擦力的说法中正确的是于平衡摩擦力的说法中正确的是( )( )A.“A.“平衡摩擦力平衡摩擦力”的本质就是让小车受到的摩擦力为零的本质就是让小车受到的摩擦力为零B.“B.“平衡摩擦力平衡摩擦力”的本质就是使小车所受的重力沿斜面的本质就是使小车所受的重力沿斜面方向的分力与所受到的摩擦阻力相平衡方向的分力与所受到的摩擦阻力相平衡C.“C.“平衡摩擦力平衡摩擦力”的目的就是要使小车所受的合力等于的目的就是要使小车所受的合力等于所挂

22、砝码通过细绳和滑轮对小车施加的拉力所挂砝码通过细绳和滑轮对小车施加的拉力D.“D.“平衡摩擦力平衡摩擦力”是否成功，可根据小车拖动的由打点是否成功，可根据小车拖动的由打点计时器打出的纸带上的点迹间距是否均匀来确定计时器打出的纸带上的点迹间距是否均匀来确定BCDBCD2.2.在在“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验中备的实验中备有下列器材：有下列器材：A.A.打点计时器打点计时器;B.;B.天平天平;C.;C.秒表秒表;D.;D.低压交流电源低压交流电源;E.;E.电池电池;F.;F.纸带纸带;G.;G.细绳、砝码、小车、小盘；细绳、砝码、小车、小盘；H.H.薄木薄木板板;I.;I.装有细砂的小桶装有细砂的小桶其中多余的器材是其中多余的器材是_；缺少的器材是缺少的器材是_。【解析】【解析】多余的器材是秒表、电池；缺少的是刻度多余的器材是秒表、电池；缺少的是刻度尺、一端带滑轮的长木板。尺、一端带滑轮的长木板。答案：答案：C C、E E 刻度尺、一端带滑轮的长木板刻度尺、一端带滑轮的长木板3.3.如图所示是根据探究加速度与力的关系的实验如图所示是根据探究加速度与力的关系的实验数据描绘的数据描绘的a-Fa-F图像图像, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( )( )A.A.三条倾斜直线所对应的小车与三条倾斜直线所对应的小车与砝码的质量